Biochimica

Introduzione

La biochimica descrive in termini molecolari le strutture e i processi chimici degli organismi viventi e fornisce i principi che stanno alla base della complessità della vita in tutte le sue forme. La biochimica è di particolare importanza per le scienze ambientali poiché ci aiuta a comprendere non solo i meccanismi di tossicità delle molecole di origine antropica ma anche le modificazioni metaboliche che fungono da campanelli di allarme, ovvero i biomarker, che sono dei marcatori molecolari biochimici che individuano in un dato organismo delle possibili contaminazioni da parte di forze estranee prima che si manifestino a livello fisico.

Vocabolari molto usati

• Enzima: proteina che catalizza una determinata reazione chimica che avviene in un organismo vivente.
• Substrato: molecola su cui agisce l’enzima, quindi il reagente.
• Metabolita: molecola organica di piccolo peso molecolare che è substrato o prodotto di una reazione enzimatica.
• Metabolismo: l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo vivente. Comprende il metabolismo costruttivo, ovvero l’anabolismo, e il metabolismo degradativo, ovvero il catabolismo.

Gli elementi unificanti

Vediamo in seguito quali sono gli elementi che accomunano tutti gli organismi viventi.

• Composizione chimica (elementare e molecolare).
• Struttura cellulare: tutti gli organismi viventi sono composti da cellule.
• Composti ad alta energia: come l’ATP, utilizzati per tutti quei processi che richiedono energia, quindi per mantenere la struttura biologica attiva.
• Catalisi enzimatica: tutte le reazioni sono catalizzate da enzimi.
• Replicazione: tutti gli organismi viventi si possono replicare, trasmettendo alla prole il loro patrimonio genetico.

Biomolecole

Tutte le biomolecole, per definizione, contengono carbonio in varie percentuali. Si caratterizzano per i loro gruppi funzionali, ovvero gruppi di atomi con caratteristiche fisico-chimiche proprie che sono responsabili dell’interazione specifica con altre biomolecole. Le proprietà dei gruppi funzionali sono molto diverse da quelle degli atomi che li compongono.

Molte biomolecole sono chirali, ovvero molecole dalla medesima composizione molecolare ma con diversa disposizione spaziale nelle tre dimensioni, quindi non sovrapponibili rispetto alla loro immagine speculare; queste molecole sono dette stereoisomeri. Questo avviene perché il carbonio, essendo tetraedrico, può associarsi tramite semplici legami covalenti a quattro sostituenti diversi che, anche se uguali, possono essere disposti differentemente in molecole distinte. Una diversa struttura chimica implica un diverso comportamento da parte di queste molecole nell’interazione con altre molecole.

Ad esempio, supponendo di avere un substrato e un enzima che reagisce in corrispondenza del sito di legame, lo stereoisomero di quell’enzima non è in grado di reagire con il sito di legame, avendo una disposizione spaziale differente. Le diverse forme isomeriche degli amminoacidi vengono distinte in forma L e forma D. Gli amminoacidi L sono quelli che entrano nella struttura delle proteine, gli amminoacidi D sono quelli che non entrano nella struttura delle proteine. A livello strutturale, la differenza tra i due è che il gruppo amminico è legato al carbonio 2 rispettivamente a sinistra in forma L e a destra in forma D. Esempio, l’acido glutammico di cui distinguiamo due stereoisomeri, l’acido D-glutammico e l’acido L-glutammico.

Categorie di molecole

Le categorie di molecole che entrano negli organismi viventi sono:

• Precursori inorganici;
• Metaboliti;
• Mattoni costitutivi;
• Macromolecole.

I precursori inorganici sono, in base alla complessità, quelli più semplici. Ne fanno parte, ad esempio, l’anidride carbonica, lo ione ammonio, l’acqua, l’idrogeno e il solfuro idrogeno. Sono tutte molecole inorganiche che non vengono utilizzate dagli animali, ma solamente da piante o microrganismi. L’anidride carbonica è utilizzata nella fotosintesi come substrato da cui attingono gli organismi fotosintetici, lo ione ammonio è utilizzato per costruire amminoacidi, l’idrogeno e il solfuro idrogeno sono utilizzati come elementi strutturali.

Nel corso ci sono figure con atomi aventi colorazioni differenti:

• Il rosso corrisponde all’ossigeno;
• Il grigio al carbonio;
• Il bianco all’idrogeno;
• Il blu all’azoto;
• Il giallo allo zolfo.

Un metabolita è una molecola organica di basso peso molecolare che è substrato o prodotto di una reazione enzimatica. Un mattone costitutivo è, ad esempio, un amminoacido in quanto costituisce le macromolecole proteiche, piuttosto che un nucleotide in quanto costituente degli acidi nucleici. Amminoacidi e nucleotidi possono anche essere liberi, e quindi metaboliti. Una macromolecola è una molecola costituita da mattoni costitutivi. Non può essere rappresentata con la classica scrittura chimica ma deve essere raffigurata tramite modellazioni tridimensionali al computer.

Cellula come unità fondamentale degli organismi viventi

La struttura cellulare è una struttura comune a tutti gli organismi viventi; la cellula rappresenta infatti l’unità fondamentale di un qualunque organismo. Il metabolismo è compartimentizzato, per cui determinati organuli svolgono determinate funzioni. La cellula è un sistema aperto che scambia materia ed energia con l’ambiente. È un sistema che mantiene un equilibrio dinamico, per cui l’organismo è in stato stazionario. Lo stato stazionario consiste nel mantenimento di una struttura organizzata e complessa in cui i nutrienti permettono l’acquisizione di energia, il compimento del lavoro, la crescita e il mantenimento dello stato vitale. I nutrienti possono essere macromolecole complesse, come nel caso degli animali, o molecole più semplici come la luce e la CO₂ nel caso delle piante. Quando cessa l’equilibrio dinamico, la cellula muore ed entra in equilibrio chimico con l’ambiente.

Termodinamica negli organismi viventi

Gli organismi viventi possono essere descritti come entità complesse fortemente organizzate ricche di informazioni e povere di entropia. È proprio grazie alla forte organizzazione che gli organismi riescono a mantenere questo stato di povertà di entropia e per farlo necessitano di molta energia. Per acquisire energia serve un lavoro costante finalizzato all’acquisizione di nutrienti che, come detto, possono essere macromolecole complesse nel caso degli animali o luce e anidride carbonica nel caso delle piante. Una volta acquisiti i nutrienti si procede con una serie di reazioni di ossidoriduzione finalizzate proprio a produrre energia.

La quantità di energia disponibile per compiere un lavoro è data dalla variazione di energia libera di Gibbs (ΔG):

ΔG = ΔH – TΔS;

dove ΔH rappresenta la variazione di entalpia, mentre ΔS la variazione di entropia e T la temperatura. ΔG viene calcolato dai valori delle concentrazioni di reagenti e prodotti. Conoscendo la concentrazione di reagenti e prodotti in un determinato istante e la costante di equilibrio della reazione è possibile calcolare il ΔG della reazione. Tramite il valore di ΔG calcolato è possibile determinare se la reazione è favorita termodinamicamente nel caso in cui il ΔG sia negativo, sfavorita termodinamicamente nel caso in cui ΔG sia positivo o in equilibrio nel caso in cui ΔG sia uguale a 0. Nella formula R rappresenta la costante dei gas ideali mentre T la temperatura.

Vi sono quindi tre situazioni:

• ΔG > 0 → reazione endoergonica, non favorita termodinamicamente;
• ΔG < 0 → reazione esoergonica, favorita termodinamicamente;
• ΔG = 0 → reazione reversibile, non ha una direzione.

Il fatto che la reazione sia favorita termodinamicamente non vuol dire per forza che avvenga perché la termodinamica ci dice solamente se il processo è favorito o meno mentre è la cinetica che specifica se il processo è anche realizzabile. Ad esempio, l’ossigeno potrebbe bruciare il legno, ma nonostante la reazione sia termodinamicamente favorevole non avviene perché c’è bisogno di un innesco; analogamente, nelle reazioni biochimiche, gli organismi si servono di enzimi per far sì che reazioni favorite termodinamicamente avvengano.

È possibile che le reazioni esoergonica ed endoergonica siano accoppiate fra di loro. L’immagine raffigura come due reazioni endoergonica ed esoergonica sono accoppiate: a sinistra abbiamo una reazione endoergonica, non favorita, che richiede energia perché avvenga, in questo caso la salita di un cubo lungo una superficie; a destra abbiamo una reazione esoergonica, favorita, che non richiede energia e avviene spontaneamente, in questo caso la discesa di un cubo lungo una superficie. Tramite una macchina, in questo esempio una carrucola, le due reazioni sono collegate e accoppiate fra loro.

Un esempio di ciò nel metabolismo è il grafico sottostante che pone sull’ascissa la reazione e sull’ordinata l’energia libera. La reazione 1 (ovvero glucosio + fosfato → glucosio 6-fosfato) ha un ΔG positivo e richiede quindi energia per poter essere completata. La reazione 2 (ovvero ATP → ADP + fosfato) ha invece un ΔG negativo e quindi sviluppa energia. Accoppiando le reazioni 1 e 2 otteniamo un profilo netto in cui il ΔG risulta negativo e quindi complessivamente la reazione 3 risulterà favorita. Nella reazione 3 ciò che avviene è che il glucosio utilizza un fosfato dell’ATP a dare glucosio 6-fosfato e conseguentemente ADP (in quanto l’ATP ha perso un fosfato). Questo processo, come visto nell’esempio precedente, può avvenire però solo grazie alla presenza di una macchina, in questo caso è un enzima che combina il glucosio e l’ATP.

Reazioni di ossidazione

Le reazioni di ossidazione liberano grandi quantità di energia. Ad esempio la respirazione, vale a dire l’ossidazione del glucosio (e quindi la sua combustione) ad opera dell’ossigeno a formare anidride carbonica, acqua ed energia; nella respirazione vengono liberati 2800 kJ/mol quindi, considerando che 1 mole corrisponde a 160 grammi di glucosio, 160 grammi di glucosio liberano 2800 kJ. Questa liberazione di grandi quantità di energia deriva dal fatto che i prodotti hanno un maggior disordine rispetto ai substrati; ad esempio in questo caso si distrugge l’ordine strutturale del glucosio e vengono liberate 6 molecole di CO₂. Aumentando il disordine aumenta anche l’entropia e questo porta alla liberazione di grandi quantità di energia.

ATP

L’ATP è un ribonucleotide costituito da adenina (una base azotata), ribosio (uno zucchero pentoso) e da tre gruppi fosfato (l’adenina e il ribosio formano l’adenosina). I gruppi fosfato sono ad alta energia in quanto la loro idrolisi libera energia che viene utilizzata per ribaltare le reazioni endoergoniche, ovvero quelle sfavorite termodinamicamente. Al fine di mantenere l’organismo attivo, l’ATP deve essere presente ad alta concentrazione. Nel caso in cui l’ATP scenda sotto certi livelli critici vengono svolte reazioni metaboliche finalizzate ad ottenere ATP da molecole organiche più complesse.

Vie metaboliche

Le vie metaboliche sono una successione di reazioni chimiche pilotate da enzimi in cui i prodotti diventano substrati per le reazioni successive. Gli enzimi sono piccole molecole con siti catalitici che accolgono i substrati per farli reagire fra di loro. Generalmente, nelle vie metaboliche ci sono almeno due substrati. È importante ricordare inoltre che tutte le vie metaboliche sono esoergoniche e irreversibili. Questo vuol dire che anche se alcune tappe delle vie metaboliche possono essere endoergoniche, complessivamente la via metabolica è esoergonica e ha quindi un ΔG negativo.

Acqua

L’acqua rappresenta la molecola più abbondante nel nostro organismo ed è l’ambiente in cui avvengono tutte le reazioni chimiche. È l’unica molecola che si trova in tutti e tre gli stati fisici sul nostro pianeta (liquido, solido, gas). Le proprietà principali dell’acqua dal punto di vista biochimico sono:

• Elevata costante dielettrica;
• Elevato calore di evaporazione;
• Diversa densità tra stato liquido e stato solido;
• Elevata tensione superficiale (che indica la coesione delle particelle a livello della superficie esterna).

Queste proprietà derivano da un unico fattore, ovvero dalla presenza di interazioni molecolari dette legame idrogeno.

Legame idrogeno

Il legame idrogeno si forma grazie al fatto che i due atomi di idrogeno sono legati all’atomo di ossigeno con un legame covalente polare; l’atomo di ossigeno, essendo molto elettronegativo, attira verso di sé gli elettroni di legame e si viene quindi a formare una carica parziale positiva sull’idrogeno (l’acqua infatti è una molecola polare). Per questo motivo si instaura un’attrazione elettrostatica tra un atomo di idrogeno di una molecola d’acqua e un atomo di ossigeno di una molecola d’acqua adiacente.

È un’interazione debole perché la lunghezza del legame idrogeno tra molecole d’acqua è maggiore rispetto alla lunghezza del legame covalente polare tra l’atomo di ossigeno e i due atomi d’idrogeno, tuttavia, se presente in grandi quantità, può portare ad una forte coesione delle molecole d’acqua. Il legame idrogeno si effettua sempre con atomi molto elettronegativi ovvero l’ossigeno o l’azoto. Il legame idrogeno è più forte quando i due atomi interessati al legame sono allineati. La forza del legame idrogeno è di circa 23 kJ/mol e allo stato liquido questi legami si formano e si distruggono di continuo molto rapidamente; la durata media è infatti di 1-20 picosecondi (10^-12s).

Categorie di sostanze

In base alla presenza di gruppi idrossilici (o ossidrilico, -OH), quindi di formare ponti idrogeno con l’ambiente acquoso, distinguiamo tre tipologie di sostanze:

• Sostanze polari → come glucosio e glicina che contengono molti gruppi polarizzati e sono in grado di formare ponti idrogeno con l’ambiente circostante. Queste molecole sono anche dette idrofiliche;
• Sostanze apolari → come le cere, ovvero molecole che contengono lunghe catene idrocarburiche e che quindi non sono in grado di formare ponti idrogeno con l’ambiente. Queste molecole sono anche dette idrofobiche;
• Sostanze anfipatiche → come la fenilalanina, sono caratterizzate da pari forze idrofiliche e idrofobiche, quindi hanno un comportamento doppio.

Costante dielettrica

Come detto, l’acqua ha un’elevata costante dielettrica. La costante dielettrica (ε) è la capacità di separare due cariche opposte; è la costante che compare nella legge di Coulomb:

F = (Q₁Q₂) / (ε r²)

dove Q rappresenta la carica, ε è la costante dielettrica e r è la distanza tra le cariche. Più alta è la costante dielettrica più bassa è l’attrazione elettrostatica (F) fra due cariche opposte. Le cariche opposte vengono separate dall’acqua e questo consente lo scioglimento dei sali.

Proprietà colligative

Le proprietà colligative sono proprietà legate solamente al numero di particelle presenti in soluzione. A queste, è collegato il fenomeno dell’osmosi, ovvero lo spostamento di molecole d’acqua da un ambiente più povero di sostanze disciolte verso un ambiente più ricco di sostanze disciolte attraverso una membrana semipermeabile (come la membrana cellulare), che consente cioè il passaggio dell’acqua ma non del soluto. La pressione osmotica è la pressione che bisogna applicare per evitare questo spostamento dell’acqua dall’ambiente più povero all’ambiente più ricco di soluti.

La membrana cellulare è una membrana semipermeabile ed è quindi soggetta all’osmosi. In funzione della soluzione in cui è inserita, la cellula va incontro a reazioni differenti:

• Soluzione isotonica → la concentrazione di soluti all’esterno della cellula è pari alla concentrazione dei soluti all’interno, quindi la cellula è in equilibrio con l’ambiente e non ha reazioni;
• Soluzione ipertonica → la concentrazione di soluti all’esterno della cellula è maggiore rispetto alla concentrazione interna quindi, per osmosi, l’acqua tenderà a spostarsi verso l’ambiente esterno quindi la cellula si raggrinzisce;
• Soluzione ipotonica → la concentrazione di soluti all’esterno della cellula è minore rispetto alla concentrazione interna quindi, per osmosi, l’acqua tenderà a spostarsi all’interno della cellula che quindi aumenta di volume fino a scoppiare.

Dissociazione

Una molecola d’acqua su dieci milioni va incontro a dissociazione che consiste nella separazione della molecola di H₂O in H⁺ e OH^-. Quello che succede è che il legame idrogeno strappa il protone che si lega su una molecola d’acqua generando H⁺ e OH^-. A dire il vero, H⁺ dovrebbe essere indicato come H₃O⁺ in quanto il protone libero non esiste, ma per comodità viene comunque riportato come H⁺.

La costante di equilibrio (K_eq) di questa reazione è 1.8x10^-16 M, che è un valore molto spostato verso l’acqua e questo riflette il fatto che è una reazione che avviene di rado. Moltiplicando la costante di equilibrio per la concentrazione molare dell’acqua, che è 55,55 M, otteniamo il prodotto ionico dell’acqua (K_w) che è pari a 1.0x10^-14 M².